一种逐元暗电流抑制的CMOS红外探测器读出电路

摘要

本发明公开了一种逐元暗电流抑制的CMOS红外探测器读出电路，读出电路包括输入电路、积分电路、输出电路三部分。输入电路采用电流存储单元和电流镜相结合的结构。其中，电流存储单元分布在线列电路每个象元中，由传输门、虚拟开关对以及电容耦合回路组成，可以实现暗电流定制化调制；电流镜布局在线列电路的左右两端，可以实现暗电流整体抑制。本发明的优点在于：输入端电流存储单元的设计可以有效降低探测器信号非均匀性；输入端电流镜设计有粗调和微调两个调节端口既扩大了电路对中长波红外探测器工作电流的适用范围又能精确调节系统的工作状态；电路的功耗低，采用亚微米CMOS工艺制造的重复性好。

说明书

技术领域

本发明涉及红外探测器读出电路领域，尤其是涉及一种线列中长波红外探 测器CMOS读出电路设计。

背景技术

中长波红外探测器在低温目标探测、超视距探测和抗干扰目标识别等领域 具有极其重要的用途，因此一直是红外探测器技术发展的一个重要方向。目前， 中波探测器(波长在3.5～4μm)仍以HgCdTe探测器为主，其一般工作在高背 景下，会产生很大的背景电流。同时，HgCdTe中长波红外器件本身的暗电流也 比较大，且存在比较大的非均匀性，信号读出时极易出现各元的信号高低不平， 部分信号无法读出，这种现象大大降低了系统的动态范围。

通过探测器工艺的改进是减小暗电流和非均匀性的一条途径，但许多关键 性的技术还有待进一步的研究，探测器的暗电流和非均匀性还达不到理想情 况。通过改进探测器读出电路的设计，是另外一个解决暗电流以及背景电流问 题的途径。比如，缓冲栅极调制输入(BGMI)电路通过非平衡电流镜技术，获 得高电荷敏感度；通过电流模式背景抑制结构，来增大电路的动态范围的。输 入失调电压补偿电路则是通过开关电容补偿，使输入端电压偏置趋于零，通过 结合相关双采样技术和自归零技术，有效降低失调电压引起的固定图像噪声和 1/f噪声。但对于暗电流较大且非均匀性比较严重的线列中波红外探测器而言， 这些方法都存在不同程度的局限性，信号读出达不到理想的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种逐元暗电流抑制的CMOS红外探测器读出电 路，解决由于探测器非均匀性而带来的电路输出摆幅过小的问题，从而提高中 长波红外探测器读出电路的设计水平。

本发明的一种逐元暗电流抑制的CMOS红外探测器读出电路包括输入电 路、积分电路、输出电路，其中：

所述的输入电路采用电流存储单元和电流镜相结合的结构，电流存储单元 分布在线列电路每个象元中，设有用于实现暗电流定制化调制的外部电压调节 端口；电流镜布局在线列电路的左右两端，电流镜调节端有用于实现暗电流整 体抑制的粗调和微调两个外部调节端口；

所述的电流存储单元由控制开关、传输门对、虚拟开关对、电容耦合回路 以及电流存储管组成，其中，控制开关为一个NMOS管，其栅极设有外部电压 调节端口；传输门对由两个CMOS传输门组成，每个CMOS传输门由一个PMOS 管和一个NMOS管并联而成；虚拟开关对由两组虚拟开关组成，每组虚拟开关 由两个NMOS管组成，其中一个NMOS管源漏短接，并且宽长比是另外一个NMOS 管的1/2；电容耦合回路由三个电容组成；电流存储管为NMOS管；控制开关一 端连接探测器输入端，一端连接传输门对；传输门对另一端连接两组虚拟开关 对；虚拟开关对另一端连接电容耦合回路；而电容耦合回路另一端连接电流存 储管栅极，用于存储电流存储管栅极电压；

所述的电流镜单元由两组电流镜组成，分别负责粗调和微调；两组电流镜 并联连接，每组电流镜由一个NMOS管、两个PMOS管组成；粗调电流镜NMOS 管宽长比大于细调电流镜，同时，细调电流镜的两个PMOS管宽长比比值大于 粗调电流镜；粗调和细调端口分别加于两个NMOS管栅极上，电流镜输出端连 接放大器输入端。

本发明设计的一种基于电流存储单元和电流镜方式结合的高性能中长波 红外探测器N元线列读出电路，可满足在90K温度下工作的中长波红外探测器 信号读出的需要，适合不同响应率探测器的信号读出。其电路的单元结构如图 1所示，包括电流存储单元前置结构的输入级，差分放大器的CTIA，CDS+N跟 随、输出P跟随。图2是输入级的电流镜，由两组电流镜组成，分别负责粗调 和微调。两组电流镜并联连接，每组电流镜由一个NMOS管，两个PMOS管组成。 粗调电流镜NMOS管(NM4)宽长比大于细调电流镜NMOS管(NM5)，同时，细调 电流镜的两个PMOS管(PM9/PM7)宽长比比值大于粗调电流镜(PM10/PM8)。粗 调(PB2)和细调(PB1)端口分别加于两个NMOS管栅极上，电流镜输出端连 接放大器输入端。图3是输入级的电流存储单元结构，由控制开关、传输门对、 虚拟开关对、电容耦合回路以及电流存储管组成。其中，控制开关为一个NMOS 管(NM2)，其栅极设有外部电压调节端口(Vcontrol)；传输门对由两个CMOS 传输门组成(NM3/PM2、NM0/PM3)，每个CMOS传输门由一个PMOS管和一个NMOS 管并联而成；虚拟开关对由两组虚拟开关(NM4/NM5、NM6/NM7)组成，每组虚拟 开关由两个NMOS管组成，其中一个NMOS管源漏短接，并且宽长比是另外一个 NMOS管的1/2；电容耦合回路由三个电容组成(C₀、C₁、C₂)；电流存储管为NMOS 管(NM8)。控制开关一端连接探测器输入端，一端连接传输门对；传输门对另 一端连接两组虚拟开关对；虚拟开关对另一端连接电容耦合回路；而电容耦合 回路另一端连接电流存储管栅极，用于存储电流存储管栅极电压。

该电路采用电流存储单元和电流镜输入方式相结合的读出电路结构，对探 测器各单元的非均匀性起到了逐元抑制的作用；输入端粗调的设置，能扩大电 路对中长波红外探测器偏置电流的适用范围，微调端口的设置能精确设置系统 的最佳工作状态；电流存储单元的设计，可以有效降低探测器带来的输出信号 的不均匀性，非均匀性抑制比可达-22.7dB；在画版图时电流镜地线采用宽度大 于100微米的金属线且左右两端都设置电流镜，能有效地降低系统的非均匀性。

本发明的优点如下：

1.电流存储单元的设计，可以有效降低探测器带来的输出信号的不均匀性， 非均匀性抑制比可达-22.7dB；

2.电路输入端采用电流镜方式，设有粗调、微调两个端口，输入端粗调的 设置，能扩大电路对非制冷红外探测器偏置电流的适用范围，微调端口的设置 能精确设置系统的最佳工作状态；

3.电流镜布局在线列电路的左右两端，在画版图时地线采用宽度大于100 微米的金属线，电路的非线性能得到有效地改善；

4.中长波红外探测器读出电路设计采用标准的亚微米CMOS工艺制造而成， 保证了芯片制造的可重复性。

附图说明

图1逐元暗电流抑制的中长波红外探测器读出电路单元结构图。

图2逐元暗电流抑制的中长波红外探测器读出电路电流镜部分结构图。

图3逐元暗电流抑制的中长波红外探测器读出电路电流存储单元结构图

图4逐元暗电流抑制的中长波红外探测器读出电路工作波形图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：

实施方式1

此发明采用输入端为电流存储单元和电流镜方式相结合的方式来设计中 长波红外探测器线列读出电路，其单元结构图如图1所示，中长波红外探测器 一端接参考电压，一端接到CTIA放大器输入端；参考电压为CTIA积分时的起 始电压，一般设定为1.5V，最低不能低于NMOS管的阈值电压，否则会在信号 的低端出现失真。C_i为积分电容，可以根据中长波红外探测器响应率的大小 进行选择；为使线列的探测器信号能顺序读出，需在CTIA的输出端加入CDS N 跟随，后面再连接P跟随。电路的读出分为两个阶段：校准阶段和积分读出阶 段。在校准阶段，CTIA放大器输入端断开，暗电流流入电流存储单元，完成 信号校准；之后，CTIA放大器完成复位，输入端打开，调节电流镜调节开关， 然后进行信号积分，随后进行相关双采样输出。电路的主要脉冲输入信号如图 4所示。

实施方式2

该电路在输入端电流镜方式的电路结构如图2所示，由于PM9的宽长比是 PM10的2倍，NM4的宽长比是NM5的8倍，所以PM8和PM10构成粗调控制的 输入级电流镜，PM7和PM9构成微调控制的输入级电流镜，PB1、PB2分别为微 调、粗调外端口。在画版图时，电流镜布局在线列电路的左右两端，地线采用 宽度大于100微米的金属线。采用该方法设计的线列160电路其非线性度小于 1％。

电流镜部分的管子参考尺寸如下表所示(单位为微米)。

管子 PM7 PM8 PM9 PM10 NM4 NM5 W/L 3/6 3/6 240/6 120/6 24/6 3/6

实施方式3

该电路输入端前置电流存储单元结构如图3所示，NM8作为存储管，流 经其的电流等于外部暗电流，NM8管栅极电压由电容反馈回路存储，从而达 到存储暗电流的目的。电容反馈回路由电容C0、C1、C2组成，其电容值分别 为2pF、20fF、2pF，可以有效降低馈通电压，抑制比为C0/C1＝100。NM4/NM5、 NM6/NM7组成两对虚拟开关，由脉冲信号f/-f控制，用于降低沟道电荷注入 对电容反馈回路的影响。PM2/NM3、PM3/NM0组成传输门开关，其每个管子 参考尺寸如下表所示(单位为微米)。

管子 NM4、NM6 NM5、NM7 NM1 NM8 PM2/PM3 NM0/NM3 W/L 9.6/6 4.8/6 3/3 36/3 9.6/6 9.6/6

以上通过具体的实施例对本发明进行了说明，但本发明并不限于这些具体 的实施例。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、 变化等等，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。